Студопедия
Поделиться в соц. сетях:


Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАСОСЫ




Лекция № 14

Термин «биологические насосы» закрепился в литературе с XIX в. Он появился еще до возникновения взгляда на биомембрану как важнейший функциональный компонент клетки. Вначале под биологическими насосами понимали какие-то неизвестные механизмы, которые обеспечивают массоперенос в организме вопреки элементарным законам физики и химии.

В середине XIX в. после блистательных успехов физико-химического изучения жизнедеятельности появились факты, свидетельствующие о том, что всасывание веществ в пищеварительном тракте, мочеобразование и лимфоотделение только отчасти сводятся к процессам фильтрации и диффузии.

Позднее ученые разобрались во многих недоразумениях примитивного приложения законов физики и химии к объяснению явлений жизни. Однако термин «биологические насосы» продолжает жить в биологии. В последние годы с ними зачастую отождествляют ионные насосы − системы активного транспорта Na+, К+, Са2+, Н+ (натрий-калиевую, кальциевую, протонную помпы).

Активный транспорт.Активным транспортом называют трансмембранный перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием физико-химических градиентов (прежде всего концентрационного и электрического). Он направлен в сторону более высокого электрохимического потенциала и необходим как для накопления в клетках (или определенных органоидах) веществ, в которых они нуждаются, даже из среды с их низкой концентрацией, так и для выведения из клеток (органоидов) тех агентов, содержание которых там должно поддерживаться на низком уровне, даже при повышении его в окружающей среде.

Свойства систем активного транспорта.Из определения активного транспорта следует, что его важнейшим свойством является перенос веществ вопреки действию физико-химических градиентов (вопреки электродиффузионному уравнению Нернста−Планка), т. е. в сторону более высокого электрохимического потенциала благодаря термодинамическому сопряжению концентрационного и электрического градиентов с расходованием свободной энергии организма. Поэтому система уравнений переноса выглядит так:

(48)

Химический потенциал (μх) количественно характеризует вклад ферментативных реакций в свободную энергию биомембраны, необходимую для преодоления сопряженного действия концентрационного и электрического градиентов. Если изменения свободной энергии клетки, обеспечивающие активный транспорт через мембрану, обусловлены макроэргами (АТФ), то в этих уравнениях: v − число молей АТФ, затраченных на массоперенос, а μх равен приросту свободной энергии клетки при гидролизе 1 моля АТФ (в стандартных условиях это составляет 31,4 кДж · моль-1).




Сказанное позволяет сформулировать второе характерное свойство систем активного транспорта − необходимость энергетического обеспечения за счет свободной энергии, выделяющейся либо непосредственно в ходе окислительно-восстановительных реакций (речь идет о так называемой редокс-помпе), либо при гидролизе макроэргов, синтезированных впрок при тех же реакциях. Необходимо подчеркнуть, что свободная энергия, обеспечивающая активный транспорт, черпается биомембранами в ходе химических процессов, связанных непосредственно с переносом веществ через них, т. е. из химических реакций, в которых участвуют сами мембранные компоненты систем активного транспорта. В этом состоит коренное отличие активного транспорта от других способов транспорта веществ через БМ, также нуждающихся в затратах свободной энергии.

Свободная энергия (∆G), затрачиваемая на трансмембранный перенос одного моля вещества в направлении более высокого электрохимического потенциала,

рассчитывается по формуле:

(49)

У человека в покое примерно 30-40% всей энергии, образующейся в ходе метаболических процессов, расходуется на активный транспорт. В некоторых случаях на его обеспечение может затрачиваться почти вся свободная энергия, вырабатываемая клеткой. Ткани, в которых активный транспорт особенно интенсивен, потребляют много кислорода даже в покое. Например, масса мозга человека составляет только 1/50 массы тела, но в условиях мышечного покоя ткани мозга поглощают около 1/5 всего кислорода, усвоенного организмом. Общая мощность всех ионных насосов человеческого мозга − примерно 1 Вт. Почки при угнетении в них активного транспорта ионов снижают свою потребность в кислороде на 70−80%.



Третье свойство систем активного транспорта заключается в их специфичности: каждая из них обеспечивает перенос через БМ только данного вещества (или группы их) и не переносит другие. Правда, активный транспорт ионов натрия бывает сопряжен с пассивным переносом в том же направлении других веществ (например, глюкозы, некоторых аминокислот и т. д.). Это явление называют симпортом. Некоторые системы активного транспорта переносят одно вещество в данном направлении, а другое − в противоположном. Так, калий-натриевая помпа закачивает калий из межклеточной среды в цитоплазму и откачивает натрий из клетки. Такой вид транспорта называют антипортом.

Когда эти ионы начинают перемещаться через БМ в направлении более низкого электрохимического потенциала, то натрий-калиевая помпа становится генератором АТФ. Это явление получило название эффекта обращения систем активного транспорта: на перекачивание ионов в сторону более высокого электрохимического потенциала насосы затрачивают свободную энергию, гидролизуя АТФ, тогда как при движении ионов в противоположном направлении они преобразуют энергию градиентов в энергию макроэргической связи АТФ, синтезируя его из АДФ. Специфичность систем активного транспорта служит одним из самых действенных механизмов селективной проницаемости клеточных мембран и придания им векторных свойств.

Компоненты систем активного транспорта.В составе любой системы активного транспорта веществ через БМ можно выделить три основных компонента: источник свободной энергии, переносчик данного вещества, сопрягающий (регуляторный) фактор. Последний сопрягает работу переносчика с источником энергии. Все компоненты систем активного транспорта образуют сложный молекулярный комплекс в клеточной мембране.

В большинстве известных систем активного транспорта непосредственным источником свободной энергии служит АТФ. За счет присоединения его концевой фосфатной группы, предварительно оторванной при гидролизе, к мембранному переносчику последний фосфорилируется и приобретает дополнительную энергию, достаточную для преодоления физико-химических градиентов, препятствующих движению переносимого вещества. Следовательно, фосфорилированный комплекс переносчика с транспортируемым веществом способен преодолеть потенциальный барьер, неприступный для него до фосфорилирования. Отдавая перенесенное вещество на противоположной стороне БМ, молекулы переносчика дефосфорилируются и теряют энергию.

Реже свободная энергия черпается системами активного транспорта непосредственно из окислительно-восстановительных реакций, т. е. из цепи переноса электронов. Систему активного транспорта с таким источником энергии называют редокс-помпой. Примером может служить перенос Н+-ионов через внутреннюю мембрану митохондрии, обеспечивающий создание протондвижущей силы, при клеточном дыхании.

О переносчиках, обеспечивающих активный транспорт, известно пока немногое. По-видимому, в разных системах активного транспорта работа переносчиков осуществляется посредством различных механизмов. Во-первых, переносчиками могут быть сравнительно мелкие белковые молекулы, присутствующие в БМ. В этом случае молекула переносчика, приняв транспортируемое вещество, проходит всю толщу биомембраны, работая по типу малой или большой карусели. Во-вторых, переносчиками могут служить крупные молекулы мембранных белков, насквозь пронизывающие фосфолипидный бислой. Им, вероятно, свойственны такие механизмы, как ротация или сдвиг.

Третий компонент системы активного транспорта обеспечивает сопряжение работы переносчика с источником энергии. Такое сопряжение может заключаться в переносе фосфатной группы с АТФ на переносчик. Чтобы фосфорилировать переносчик, нужно прежде гидролизовать АТФ. Гидролиз АТФ достаточно эффективен только в присутствии специальных ферментов, называемых АТФазами. Они-то и служат фактором, сопрягающим работу переносчика с источником энергии в основных системах активного транспорта (натрий-калиевой и кальциевой помпах). Название этой ферментной системы употреблено во множественном числе не случайно. Для активного транспорта каждого вещества в тех случаях, когда источником энергии является АТФ, обнаружена специфическая АТФаза. Каждая из транспортных АТФаз активируется именно тем веществом, чей активный транспорт она обеспечивает. Например, Са-активируемая АТФаза переходит в активное состояние только тогда, когда концентрация Са2+ в примембранном пространстве достигает определенного уровня, при котором необходим активный транспорт этого иона.

Все транспортные АТФазы связаны с клеточными мембранами и проявляют высокую специфичность, катализируя реакции, течение которых строго зависит от направления подхода к БМ транспортируемых веществ. Так, Na-K-активируемая АТФаза приобретает активность при взаимодействии с нею натрия внутри клетки, а калия − снаружи. Она не активируется при самых значительных концентрациях натрия в межклеточной среде и калия − в цитозоле.

Зависимость потока (Ф) переносимого вещества через клеточную мембрану от его концентраций по обе ее стороны (Сi и Се) при участии транспортной АТФазы описывается уравнением:

 
 

(50)

где СА − концентрация АТФазы в биомембране, р − проницаемость мембраны для комплекса «переносимое вещество − фермент», ki и keконстанты диссоциации этого комплекса на внутренней и наружной поверхностях БМ.

В клеточной мембране постоянно присутствуют и переносчики, и транспортные АТФазы, в примембранном пространстве клетки находится АТФ, выходящий из митохондрии, которые подтягиваются к местам активного транспорта. Однако вся система не работает до появления определенного стимула, которым обычно служит нарастание концентрации вещества, подлежащего активному транспорту. Это вещество активирует специфическую АТФазу, которая, в свою очередь, катализирует гидролиз АТФ с отщеплением концевой фосфатной группы. Присоединяясь к переносчику, она фосфорилирует его. При фосфорилировании переносчик приобретает дополнительную свободную энергию, необходимую и достаточную для трансмембранного переноса вещества вопреки действию физико-химических градиентов.

Так, внутри клетки повышение содержания Na+ выше определенного уровня активирует Na-K-активируемую АТФазу, а она − реакцию гидролиза АТФ:

 
 

Системы активного транспорта ионов.Системы активного транспорта ионов (ионные насосы, ионные помпы) обеспечивают неравновесное распределение этих агентов между клеткой и межклеточной средой, а также среди различных органоидов. Постоянство ионного состава (изоиония) цитозоля и содержимого органоидов является необходимым условием поддержания жизни. Ионы входят в состав всех биологически важных молекул, регулируют эффективность обмена веществ. Все превращения энергии, включая образование и использование макроэргов, контролируются ионами. В организме они составляют сложные тонко сбалансированные внутриклеточную и внеклеточную ионные системы. Малейшее их нарушение неизбежно приводит к нарушению жизнедеятельности. Например, весь клеточный метаболизм чрезвычайно чувствителен к изменению содержания Na+ в цитозоле. При его повышении угнетается синтез белка и усиливается образование липидов. При сохранении высокой концентрации Na+ в цитозоле в течение длительного времени синтез белка также усиливается. Следовательно, ионы натрия выступают в роли регулятора метаболиче­ской активности клетки. Подобная функция присуща и другим ионам.

Изменение содержания в цитозоле водорода, калия, кальция, магния и других катионов сигнализируют ее метаболическим системам о малейших нарушениях клеточной целостности, которая достигается относительной обособленностью химического состава клетки при наличии многообразных связей со средой ее обитания.

В организме человека 50% ионов натрия содержится в межклеточной среде (интерстиции), 40% − вкостях и только 10% − внутри клеток. В интерстиции натрию сопутствуют анионы хлора и бикарбоната, концентрации которых там значительно выше, чем в цитозоле. В отличие от этих ионов, а также кальция, катионы калия и магния сосредоточены преимущественно внутри клеток. Из 160 г ионизированного калия, входящего в состав тела человека среднего роста и массы, только 3 г приходится на межклеточную среду. В цитозоле Са2+ присутствует в ничтожной концентрации (около 10-8 моль · л-1) даже в мышечных волокнах, где его содержание довольно велико, но там он сосредоточен не в цитозоле, а в цистернах саркоплазматической сети, мембрана которой в несокращающихся мышцах служит непреодолимым препятствием для перемещения этого иона.

Стабильное поддержание ионного неравновесия, а также перемещение ионов через клеточные мембраны в сторону более высокого электрохимического потенциала для осуществления многих физиологических процессов обеспечивается работой ионных насосов.

Калий-натриевый насос.Только благодаря системе активного транспорта Na+ и К+ поддерживаются стабильные и весьма высокие градиенты концентраций этих ионов на плазмолемме любой клетки. Разница в их молярных концентрациях

между цитозолем и интерстицием достигает 10−20, причем калия больше в цито-золе, а натрия − в межклеточной среде. Под действием концентрационных градиентов К+ выходит из клетки, a Na+ входит в нее. Пассивный транспорт привел бы к ликвидации ионного неравновесия, но этому мешает работа калий-натриевого насоса. Он беспрестанно откачивает натрий из цитозоля в интерстиций и закачивает К+ в клетку. Установлено, например, что через каждый 1 см2 плазмолеммы нервного волокна кальмара ежесекундно проходит 1010 ионов натрия, на что расходуется пятая часть всей свободной энергии, образующейся у кальмара за счет клеточного дыхания. Следовательно, калий-натриевый насос − весьма энергоемкая система. Энергия затрачивается на антипорт натрия и калия.

Компонентами калий-натриевой помпы являются АТФ (источник энергии) и натрий-калий-активируемая АТФаза (сокращенно − Na-K-АТФаза), которая служит одновременно и сопрягающим фактором, и переносчиком. Этот фермент был открыт в 1957 г. при исследовании активного транспорта натрия через мембраны нерва краба, и с тех пор о Na-K-АТФазе получено сведений больше, чем обо всех мембранных транспортных системах вместе взятых. Созданы антитела к ней.

В состав наиболее высокоочищенных препаратов Na-K-АТФазы, выделенной из почки собаки, входят два главных полипептида. Первый из них − интегральный протеин с неполярными боковыми цепями − имеет молекулярную массу около 135 кДа и, по-видимому, насквозь пронизывает биомембрану. Второй полипептид является сиалогликопротеидом с молекулярной массой 40 кДа. Им образованы активные центры, с которыми вступают во взаимодействие переносимые ионы. Na-K-АТФаза не активна в отсутствие ионов магния, не работает без липидов. Ее активность зависит также от рН вблизи активного центра, на котором адсорбируются ионы натрия. С АТФ взаимодействует высокомолекулярный полипептид, при фосфорилировании которого вся молекула фермента претерпевает механохимические превращения. По приблизительным оценкам, они могут обеспечить как сдвиг подвижных групп молекулы АТФазы относительно ее неподвижной структуры, так и ротацию всей молекулы в биомембране.

Молекулярный механизм использования энергии АТФ для работы калий-натриевого насоса еще не вскрыт. В самом общем виде его сформулировал Д. Скоу в 1957 г. Он предполагал, что на внутренней стороне БМ находятся молекулярные комплексы, способные фосфорилироваться за счет присоединения кон-цевой фосфатной группы АТФ, отщепляющейся при его гидролизе. Фосфорили-рованный транспортный комплекс переносит связанный с ним Na+ на наружную сторону клеточной мембраны, где обменивает его на К+. Приняв ионы калия, он транспортирует их внутрь клетки, после чего дефосфорилируется. Для следующего транспортного цикла ему необходимо новое фосфорилирование за счет гидролиза АТФ. С тех пор как были высказаны общие положения о работе калий-натриевого насоса, появилось много гипотез, конкретизирующих участие в ней Na-K-АТФазы. Ни одна из них не является общепринятой, но все модели активного транспорта натрия и калия предусматривают конформационные превращения транспортной АТФазы, сопровождающиеся ее перемещениями в пространстве биомембраны. Некоторые исследователи полагают, будто калий-натриевая помпа действует по принципу перистальтического насоса, который попеременно открывает и закрывает натриевые и калиевые каналы, расположенные в БМ по соседству с Na-K-АТФазой. Ее конформационные перестройки, обусловленные чередованием фосфорилирования и дефосфорилирования, вызывают изменение проницаемости ионных каналов, работающих в противофазе: когда натриевый канал открыт, калиевый − закрыт, и наоборот. Согласно этой гипотезе, Na-K-АТФаза служит не переносчиком ионов, а своеобразным клапаном в ионных каналах.

Другая гипотетическая схема действия калий-натриевой помпы изображена на рис. 52.

Рис. 52. Схема работы натрий-калиевого насоса: а − состояние до транслокации ионов; б − состояние после транслокации ионов.

Она предполагает, что транспортная АТФаза работает как переносчик. Молекула фермента пронизывает плазмолемму, контактируя одним полюсом с цитоплазмой, а другим − с межклеточной средой. В примембранных участках цитоплазмы скапливаются митохондрии, из которых выходят молекулы АТФ, вступая в непосредственный контакт с мембраной и, следовательно, с Na-K-АТФазой. Содержание ионов натрия в цитоплазме поддерживается на строго постоянном уровне. Так, в нервном волокне кальмара концентрация Na+ составляет 50 ммоль · л-1, а в интерстиции − 450 ммоль · л-1. Концентрационный градиент на мембране волокна достигает 4 · 1013 моль · л-1 · м-1. Он заставляет ионы натрия диффундировать внутрь волокна. Этому же способствует и электрический градиент, обусловленный существованием трансмембранной разности потенциалов, причем цитоплазма несет отрицательный потенциал относительно интерстиция.

Если вследствие пассивного транспорта ионы натрия войдут в цитоплазму и их содержание там превысит 50 ммоль · л-1, то они адсорбируются на Na-K-АТФазе и переведут ее в активное состояние. Активированная АТФаза катализирует гидролиз АТФ, в результате чего от АТФ отщепляется концевая фосфатная группа, которая связывается с 3-карбоксильной группой L-аспарагиновой кислоты, входящей в состав Na-K-АТФазы, и переносит на нее свободную энергию. Фосфорилированная и энергизованная молекула фермента претерпевает конформационную перестройку следствием чего будут ротация или сдвиг ее в плазмолемме. Перемещения в мембране АТФазы вместе с адсорбированными на ней ионами натрия обеспечивают перенос их из цитоплазмы наружу − в сторону более высокого электрохимического потенциала. Оказавшись на внешней стороне плазмолеммы, Ма+ покидает транспортную АТФазу, которая после конформационной перестройки дефосфорилируется. Из межклеточной среды на нее адсорбируются ионы калия, а дефосфорилированная АТФаза приобретает исходную конформацию, вследствие чего ее внешние участки с находящимся там К+ поворачиваются к цитоплазме. Таким образом ионы калия переносятся из интерстиция внутрь клетки тоже вопреки действию концентрационного градиента. Отдав К+ цитоплазме, транспортная АТФаза готова к новому циклу работы, но для этого она должна быть снова фосфорилирована.

Na-K-АТФаза активируется и натрием, и калием, но проявляет при этом ярко выраженную векторность: натрий действует на нее только со стороны цитоплазмы, а калий − из межклеточной среды (рис. 53). Вместе с тем ее специфичность по отношению к натрию выше, чем к калию. Для включения в действие Na-K-АТФазы натрий незаменим, тогда как вместо калия можно использовать любой одновалентный катион, причем с рубидием транспортная система функционирует даже лучше, чем с калием. По-видимому, для фермента характерны разные механизмы распознавания натрия на цитоплазматической стороне плазмолеммы и других катионов на ее наружной поверхности.

Установлено, что за счет гидролиза одной молекулы АТФ осуществляется активный транспорт трех ионов натрия и двух ионов калия, т. е. их сопряженному трансмембранному переносу (антипорту) свойственна стехиометрия. Она сохраняется независимо от величины и направления концентрационного и электрического градиентов.


Рис. 53. Зависимость активации Na-K-активируемой АТФазы от концентрации Na+ в цитоплазме и К+ во внеклеточной среде; активность АТФазы выражена фосфатом (в мкмоль), высвободившимся за 1 ч (на 1 мг белка)

Стехиометрией обусловлены электрогенные свойства калий-натриевого насоса. Перенося 2К+ внутрь клетки и выводя из нее 3Na+, он создает небольшую разность потенциалов на плазмолемме, причем цитоплазма приобретает отрицательный потенциал относительно интерстиция. Электрогенность ионного насоса подтверждена в эксперименте на искусственных мембранах. Очищенный препарат Na-K-АТФазы, встроенный в липидный бислой, вызывает появление электрического тока через искусственную мембрану. Ток прекращается при добавлении в раствор, омывающий мембрану, специфического ингибитора этого фермента.

В опытах на липидных мембранах, инкрустированных Na-K-АТФазой, установлен также эффект обращения действия ионного насоса. Он состоит в том, что при трансмембранном переносе Na+ и К+ в направлении низких электрохимических потенциалов каждого из этих ионов АТФаза начинает работать в качестве АТФ-синтетазы, т. е. катализировать не гидролиз АТФ, а его синтез из АДФ и ортофосфата. В этом случае калий-натриевый насос служит генератором свободной энергии (в форме АТФ).

Калий-натриевый насос присутствует в плазматических мембранах почти всех клеток животных организмов, но в разных клетках его активность неодинакова. В плазмолемме человеческого эритроцита выявлено от 100 до 300 таких молекулярных «насосиков», а в мембранах почечных эпителиоцитов их примерно на три порядка больше. Содержание Na-K-АТФазы в эритроцитарной мембране не достигает и одного процента общего белка, тогда как в мембранах почечных клеток − более 10%, а в электрическом органе рыб − еще выше.

Очень высока концентрация этого фермента в клетках солевой железы альбатроса. Пожалуй, ни одна птица не может улетать от берега так далеко, как альбатрос, и столь дальние полеты над морем доступны ему только благодаря способности пить морскую воду. В клетках специального органа происходит ее опреснение за счет работы мощного калий-натриевого насоса, локализованного в плазматических мембранах. Лишняя соль выбрасывается из солевой железы в море. Значительна роль калий-натриевой помпы кожи лягушки в жизни этого животного, вышедшего из водной среды на сушу. Она перекачивает ионы натрия из окружающей среды в межклеточную жидкость лягушки даже тогда, когда концентрация натрия в пресном водоеме на четыре порядка ниже, чем в интерстиции животного.

Учитывая многообразие физиологических процессов, обеспечиваемых работой калий-натриевого насоса, можно думать, что существуют разные формы этой транспортной системы в различных органах и у разных представителей животного мира. Полагают, к примеру, что в почках млекопитающих наряду с системой активного антипорта натрия и калия присутствует другой натриевый насос, обеспечивающий симпорт натрия и хлора.

Калий-натриевый насос угнетается различными агентами, из которых наиболее активны сердечные гликозиды, избыток Са+ внутри клетки, а также дыхательные яды. Последние блокируют окислительное фосфорилирование в митохондриях и, нарушая синтез АТФ, лишают ионный насос источника энергии.

Кальциевый насособеспечивает стабильно низкий уровень Са2+ в цитозоле.

В отличие от калий-натриевого насоса, он выводит из цитозоля избыток ионов не в межклеточную среду, а в органоиды (главным образом, в эндоплазматическую сеть). Поэтому основная локализация кальциевого насоса в большинстве типов клеток − внутриклеточные мембраны, а не плазмолемма. Детальные исследования кальциевой помпы проведены в мембране саркоплазматической сети миоцитов скелетных мышц, где ее активность особенно высока.

Источником энергии для системы активного транспорта кальция служит АТФ. Вторым компонентом насоса является Са2+-активируемая АТФаза (сокращенно − Са-АТФаза). Она состоит из одной полипептидной цепи с молекулярной массой около 100 кДа. В ней преобладают аминокислотные остатки с неполярными боковыми цепями. Это липидзависимый фермент, причем вокруг каждой его молекулы находится примерно 35 молекул фосфолипидов, содержащих ненасыщенные жирнокислотные остатки. Особенно сильным активирующим действием обладают жирные кислоты с одной ненасыщенной связью. Кроме того, для работы Са-АТФазы необходимы ионы магния.

В саркоплазматической сети на долю Са-АТФазы приходится 60% общего мембранного белка. По-видимому, в мембране саркоплазматической сети нет другого интегрального белка, кроме Са-АТФазы. Остальные 40% мембранных протеинов составляют периферические белки. На активный транспорт двух молей Са2+ затрачивается один моль АТФ, но при преодолении очень высоких физико-химических градиентов соотношение Са2+ и АТФ снижается с 2:1 до 1:1.

Механизм действия кальциевой помпы установлен благодаря изучению кинетики ее работы. В этом процессе выделяют три ступени (этапа).

1). Сигналом к активному транспорту служит превышение допустимого уровня Са2+ в цитозоле. Показано, что константа связывания ионов кальция Са-АТФазой имеет порядок 107 л · моль-1, т. е. адсорбция кальция на транспортном ферменте происходит уже при концентрации Са2+ в цитозоле около 10-7 моль · л-1. Са-АТФаза связывает не только Са2+, но и АТФ в комплексе с ионами магния. Центры связывания Са2+ и АТФ локализованы на той поверхности фермента, которая обращена к цитозолю, но это разные центры.

2). Активированная кальцием транспортная АТФаза катализирует гидролиз АТФ, что и составляет основное событие второго этапа в работе кальциевой помпы. При гидролизе от АТФ отщепляется концевая фосфатная группа, присоединяясь затем к Са-АТФазе, которая приобретает при этом дополнительную свободную энергию, равную энергии гидролиза АТФ (примерно 31,4 кДж · моль-1). За счет этой энергии образуется фермент-фосфатный комплекс (Ф~Р).

3). Третий этап работы кальциевого насоса включает переход Са2+ на противоположную сторону мембраны, что обеспечивается изменением конформации Са-АТФазы, приводящим к перемещению молекулы фермента в пространстве БМ. Полагают, что происходит сдвиг подвижных групп Са-АТФазы, на которых адсорбирован Са2+, относительно неподвижной части молекулы. На внешней стороне БМ транспортная АТФаза освобождается от Са2+, поскольку комплекс Ф~Р гидролизуется после того, как затрачивает полученную ранее энергию на активный транспорт ионов. Вслед за гидролизом фермент-фосфатного комплекса происходит дефосфорилирование фермента. Возвращение Са-связывающих центров в исходное состояние является следствием восстановления той конформации молекулы Са-АТФазы, которая свойственна ей в нефосфорилированном состоянии.

В сокращенном виде схема активного транспорта кальция выглядит следующим образом:

Обозначения в схеме: Са2+ц − кальций в цитоплазме, Са2+спс − кальций в сарко-плазматической сети, Р − ортофосфат, Ф1 − неэнергизованная конформация Са-АТФазы, Ф2 − энергизованная конформация Са-АТФазы.

Кальциевый насос, в отличие от калий-натриевого, не проявляет электрогенных свойств − активный транспорт Са2+ не сопровождается образованием разности потенциалов на мембране саркоплазматической сети. Неэлектрогенность кальциевой помпы обусловлена высокой проницаемостью этой мембраны для многих ионов. Поэтому мембранный потенциал, создаваемый переносом Са2+, сразу падает из-за утечки других ионов.





Дата добавления: 2014-02-09; просмотров: 4084; Опубликованный материал нарушает авторские права? | Защита персональных данных | ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете??? 7183 - | 6255 - или читать все...

Читайте также:

 

54.198.23.251 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.


Генерация страницы за: 0.008 сек.